JP2002538927A - アテレクトミーパワー制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パワー制御システムは剥離作業中にアテレクトミーバーから散逸するパワーを所定の閾値以下に維持する。パワー制御回路は、剥離バーを回転させる原動機によって提供される速度およびトルクを監視し、非負荷状態において散逸するパワーを算出する。剥離中、散逸するパワーが測定され、非負荷パワーを差し引くことで剥離パワーを計算する。制御回路は、原動機の速度を調節して、剥離パワーを所定の閾値以下に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野 本発明は、一般に医療機器に関し、特に、患者の脈管（vessel）から沈着物を
除去するためのアテレクトミー装置に関する。

【０００２】発明の背景 血管障害は、アメリカ合衆国における主な死亡原因の１つである。ある形態の
血管障害は、患者の動脈壁が腫瘍または沈着物により閉塞したときに生じる。治
療しないまま放っておくと、これらの障害物は心臓発作、高血圧、発作を引き起
こす可能性があり、また死に至る場合さえある。

【０００３】 血管閉塞を治療するために用いられる有望な技術の１つが、Authの米国特許第
4,990,134号に記載されている。この手法を用いて、研磨バー（abrasive burr）
を脈管内に挿入し、高速回転させる。140,000〜200,000rpmの速度で回転させる
とき、バーは「差別切削（differential cutting）」と呼ばれる動作を示す。こ
の動作により、柔らかい組織はバーによる影響を受けないが、より密度が高い閉
塞物質は剥離される。閉塞から剥離された粒子は、下流での再塞栓を防ぐのに十
分な程小さく、身体から老廃物（waste）として除去される。

【０００４】 全ての剥離装置に付随する１つの危険性とは、剥離処理の間に閉塞の摩擦加熱
により生じる熱による脈管の損傷である。バーが閉塞に接触するとき、該バーを
回転させるモーターにかかるトルクが増大する。トルクの増大はバーにより散逸
するパワーを増大させ、これにより、周りの組織への熱による損傷が生じる可能
性が高くなる。

【０００５】 以前は、多くの剥離装置は、バーの速度を表示する回転速度計を備えていた。
医師は、バーが閉塞に係合するときに回転速度を監視し、その速度がある規定量
を超える分だけ（例えば5,000rpmを超える分だけ）低下しないようにするよう指
導されていた。これは実際上、バーが脈管内の新しい管腔を剥離するときに直面
する負荷がめまぐるしく変化するため、実行することが困難であった。さらに、
医師は回転速度計を監視しながら高速回転するバーを患者の脈管内で移動させる
ことに集中しなければならないため、手動による操作は気が散り易い。

【０００６】 剥離部位で散逸するパワーを制御することは困難であるため、患者の脈管中で
散逸するパワーが所定の閾値を超えないように、バーを回転させる原動機の速度
を自動的に制御することができるシステムが必要である。

【０００７】発明の概要 本発明は、剥離処理の間に患者の体内で散逸するパワーを制限するための、剥
離バーを回転させる原動機の速度特性およびトルク特性を監視するパワーコント
ローラを備えるアテレクトミー・システムである。この原動機により供給される
速度およびトルクから、パワーコントローラは、バーが閉塞に係合していない非
負荷条件下において散逸するパワーを決定する。剥離中は、剥離中に測定された
トルクから非負荷条件で存在するトルクを減じ、該バーで散逸したパワーに等し
いパワー信号を生成する。このパワーを、最大剥離パワーと比較する。つぎにパ
ワーコントローラは、散逸した総パワーが最大剥離パワーを超えないように、原
動機の速度を調節する。

【０００８】 本発明の１つの実施形態において、原動機は、電気モーターを備える。パワー
コントローラは、電気モーターのトルクを決定するために、該電気モーターの速
度および該モーターに供給される電流を示す信号を受け取る。このトルクおよび
速度からバーで散逸したパワーを計算し、パワーコントローラは、散逸するパワ
ーを最大剥離パワー以下のレベルに維持するためにモーターの速度を調節する。

【０００９】 本発明の他の実施形態において、原動機は、ガスタービンを備える。パワーコ
ントローラは、供給されるトルクを決定するために、タービンの速度および該タ
ービンを駆動するのに用いられる気体の圧力を測定する。この速度およびトルク
から、散逸したパワーを計算する。パワーコントローラは、タービンに加えられ
る圧力を調節して、散逸するパワーを最大剥離パワー以下のレベルに維持する。

【００１０】 本発明の前記態様および本発明に伴う利点の多くは、以下の詳細な説明および
添付された図面を併せて参照することにより理解を深めるに従い、容易に明らか
となろう。

【００１１】好適な実施形態の詳細な説明 本発明は、剥離処理の間に患者の体内で散逸するパワーを所定のレベル以下に
維持する定パワーアテレクトミー・システム（constant power atherectomy sys
tem）である。

【００１２】 図１は、本発明の第１の態様の定パワーアテレクトミー・システムを示す。従
来のアテレクトミー・システムと同様に、本発明は、ドライブシャフト14の先端
部に装着される剥離バー12を備える。剥離バー12は、患者の脈管15内に配置され
、閉塞16のすぐ近くの部位へと進められる。つぎにバーを高速回転させ、バーの
研磨材表面18が閉塞16に係合して、除去した粒子がバーの下流で再塞栓しないよ
うに十分小さな粒子にして除去する。回転バーが閉塞を通過することで、脈管の
サイズを広げ、および／または脈管内に新しい管腔（ルーメン）を生成して、血
液の流れを回復させる。

【００１３】 先に記載したように、全てのアテレクトミー装置に関する潜在的な問題の１つ
は、回転しているバーにより生じる閉塞の摩擦熱により生じる。熱放散が大きく
なり過ぎると、熱による脈管15の損傷、細胞死を含む、が生じる可能性がある。
高い熱エネルギーは、血小板凝集および再狭窄にも関与している。アテレクトミ
ー処理の間に剥離部位で熱による損傷が起こる可能性を低減するために、本発明
は、脈管内で散逸するパワーの量を制限するパワー制御システムを用いる。

【００１４】 ドライブシャフト14を回転させるのは原動機20であり、この原動機20は、本発
明のこの好適な実施形態では、電気モーターを備える。一般に、多くの電気モー
ターは、剥離バーでの差別切削を行うのに必要な高速回転を行うことができない
。必要な速度を提供するために、本発明は、最高100,000rpmまでの速度を生成す
ることができるDCブラシ無しモーターを使用する。モーターは摩擦ホイール21A
を駆動し、この摩擦ホイール21Aは、ドライブシャフト14に連結されたより小さ
なドライブホイール21Bに係合する。摩擦ホイール21Aとドライブホイール21Bと
のサイズ比は、4.24：1に選択される。したがって、160,000rpmのバー速度を生
成するためには、37,000〜38,000rpmの速度でモーターが駆動される。この大き
な摩擦ホイールおよびドライブホイールはバネ装荷されており、これら２つのホ
イールの係合が維持され、且つ磨耗を補償するようになっている。該大きな摩擦
ホイールおよび該小さなドライブホイールを使用する場合、モーターは回転バー
の速度を100,000〜200,000rpmに維持することができる。モーターの速度を制御
するのは、従来型のモーターコントローラ22である。伝統的なモーターと同様に
、モーターコントローラ22は、モーター20の速度をある所望のレベルに維持する
ために、該モーター20に送られる電流を調節する。

【００１５】 剥離部位で散逸するパワーを所定の閾値以下のレベルに維持するために、本発
明は、剥離部位でバーにより伝えられるパワーが所定の閾値を超えないように、
モーター20の動作特性を調節するパワーコントローラ24を備える。パワーコント
ローラ24は、ドライブシャフトおよび剥離バーにより散逸するパワーを計算する
ために、モーター20により供給されるトルクおよびその回転速度を監視する。回
転速度は、外部の回転速度計26から受け取ることもできるし、または、モーター
コントローラ22により供給される転流信号から決定することもできる。さらに、
モーターにより供給されるトルク、モーターに送られる電流の関数である、は、
モーターにパワーを供給する導線に沿って配設された外部電流計28から測定する
こともできるし、またはモーターコントローラ22から測定することもできる。

【００１６】 非負荷条件下では、バー12が閉塞16にまだ係合していないとき、ドライブシャ
フト、および該バーを閉塞に導く該シャフトに備え付けられたカテーテルにおけ
る摩擦損失により、ある量のパワーが散逸する。散逸したパワーのうち非負荷値
を超えた分は、剥離位置に伝えられたものとみなされる。動作にあたって、バー
は閉塞に隣接して設置されるが、閉塞に係合していない。オペレータが「プラッ
トホーム」スイッチ30を押すと、パワーコントローラ24は非負荷条件下で散逸し
たパワーを補う。剥離中、パワーコントローラ24は、剥離部位で散逸する追加パ
ワーを決定し、これを所定の閾値と比較する。次にパワーコントローラ24は、剥
離部位で散逸するパワーがこの閾値を超えないように、電気モーター20の速度を
調節する。

【００１７】 図２は、図１に示したパワーコントローラ24のブロック図を示す。パワーコン
トローラは、駆動電流をモーター20に送る導線に沿って配置された抵抗器40を備
える。差動増幅器42は、モーターを駆動する電流に比例した大きさを有する信号
を生成するために、抵抗器40にかかる電圧を測定する。差動増幅器42からの電流
信号は、20Hzの3dB周波数を有するローパスフィルタ44に供給され、このフィル
タ44は該電流信号から高周波数のコンポーネントを除去する。当業者には理解で
きるように、使用される特定な3dB周波数は、制御システムの応答時間およびそ
の安定性を変更するために調節することができる。ローパスフィルタ44の出力は
サンプルホールド回路46に供給される。図１に示したプラットホームスイッチ30
を作動させると、サンプルホールド回路は、フィルターされた電流信号のサンプ
ルを維持し、これを差動増幅器48の第１入力48aに供給する。差動増幅器48の第
２入力48bには、ローパスフィルタ44の出力で生成されたフィルタされた電流信
号が供給される。

【００１８】 周波数電圧変換器（F/Vコンバータ）50は、モーターに供給される転流信号を
受け取り、これらの信号を、モーターの速度に比例する対応電圧に変換する。周
波数電圧変換器50の出力は、7Hzの3dB周波数を有するローパスフィルタ52に供給
される。ローパスフィルタ52の出力は、乗算回路54の第１入力54aに供給される
。乗算器54の他の入力54bには、差動増幅器48の出力が供給される。差動増幅器4
8と乗算器54の第２入力54bとの間にはスイッチ60があり、このスイッチ60は、差
動増幅器48の出力を乗算器54の入力54bに選択的に接続するために開閉される。
プラットホームスイッチを押して校正を行う前は、スイッチ60は乗算器54により
生成される誤信号（erroneous sinal）を回避するために開いたままになってい
る。

【００１９】 乗算器54は、バーで散逸するワットでのパワーに比例する信号を生成する。散
逸するパワーは、モーターにより消費されるトルク、モーターに送られる電流に
関係する、とその速度との関数である。

【００２０】 本発明のこの好適な実施形態において、乗算器54は、以下の等式に従ってバー
で散逸したパワーを算出する。

【数１】 式中、ωはバーの回転速度（ラジアン/秒）であり、τはトルク（ニュートンミ
リメーター）である。モーターに送られる電流と生成されるトルクとの間の関係
は、一般にモーターの仕様書から得るか、または経験的に決定することができる
。したがって、差動増幅器42の出力を校正して、適当な単位のモーターのトルク
に比例する信号を生成し、バーのパワーをワットにて計算する。

【００２１】 プラットホームボタンを押すと、サンプルホールド回路46によって差動増幅器
48は、乗算器54により生成されたパワー信号の値がバーで散逸したパワーに単に
比例するように、非負荷状態の間にモーターにより消費されたトルクを減じる。

【００２２】 乗算器54の出力はパワーメーター62に供給され、このパワーメーター62は、剥
離部位で散逸したパワーを視覚的に示す。乗算器54の出力は、スイッチ64を介し
て差動増幅器66の一方の入力66aにも供給される。スイッチ64は、乗算器54の出
力が差動増幅器66の入力66aに選択的に接続されるように、２つの位置を有する
。スイッチ64が閉じているとき、パワーコントローラはバーで散逸するパワーを
所定の閾値未満に維持するよう動作する。スイッチが開いているとき、フィード
バック制御は存在しない。

【００２３】 差動増幅器66の第２入力66bには、閾値すなわち剥離中にバーによって伝えら
れる最大剥離パワーに比例する電圧が供給される。乗算回路54により生成される
電圧が閾値を超える場合、差動増幅器66は正の方向に進む信号（positive going
signal）を生成し、この信号は加算回路68に供給される。アテレクトミーバー
により散逸するパワーがパワー閾値を超える場合、差動増幅器66のみが加算回路
68の出力に貢献するように、ダイオード70により差動増幅器66の出力が負の方向
に進むのを防ぐ。

【００２４】 加算回路68は差動増幅器66の出力およびローパスフィルタ52の出力を加算する
。加算回路68の出力は、誤差増幅器（error amplifier）72の第１入力72aに供給
される。誤差増幅器の第２入力72bには、モーターの所望のRPMに比例する電圧が
供給される。誤差増幅器72の出力は、図１に図示されたモーターコントローラ22
の速度制御入力を作動し、モーターの速度を調節する。差動増幅器66の出力が０
より大きい場合、これはバーで散逸するパワーが所定の閾値より大きいことを意
味する、加算回路の出力が増加する。これは、バーで散逸するパワーが低減する
ように、誤差増幅器72の出力を低下させ、モーターの速度を低下させる。

【００２５】 図２に示すパワーコントローラはアナログ回路であるが、アテレクトミーバー
により散逸するパワーを制御するためにマイクロプロセッサを使用することもで
きることを理解されたい。図４は、本発明に従って、剥離中に散逸するパワーを
所定の最大レベル以下に維持するためにデジタルコントローラ/マイクロプロセ
ッサにより行われるステップを表わすフローチャートである。ステップ120で始
まり、原動機、典型的には図１に示したようなモーターまたは図３に示したよう
なタービン、を所望の剥離速度にまでもっていく。ほとんどのアテレクトミー装
置では、バーが140,000〜200,000rpmの速度で回転するとき、バーの差別切削が
最も容易に行われる。ステップ122では、パワーコントローラはプラットホーム
スイッチが押されたか否かを決定する。先に示したように、プラットホームスイ
ッチは、非負荷条件下でドライブシャフトおよびバーにより散逸したパワーをパ
ワーコントローラに補償させる。プラットホームスイッチが押されていない場合
、スイッチが押されるまで、プロセスはステップ122に戻る。

【００２６】 プラットホームスイッチが押されると、プロセスはステップ124に進み、ここ
で、パワーコントローラは原動機により消費されたトルクを測定する。このバー
の速度およびトルクから、ステップ126で上記等式1を用いて非負荷パワーが決定
される。ステップ128で、医師は患者の脈管内の閉塞の剥離を開始する。ステッ
プ129で、パワーコントローラは、アテレクトミー装置により散逸した総パワー
を決定する。ステップ130でこの総パワーから非負荷パワーを減じ、バーで散逸
したパワーを計算する。

【００２７】 ステップ132では、剥離中にバーで散逸するパワーが所定の閾値を超えるか否
かを決定する。閾値を超える場合、ステップ134でパワーコントローラは原動機
の速度を低下させる。次にプロセスはステップ129に戻り、剥離処理が完了する
まで、散逸したパワーのモニターリングが続く。本発明のこの好適な実施形態に
おいて、パワー閾値は約１ワットに設定される。しかし、この閾値は、体内や血
流内等における閉塞の位置によって変えることができる。

【００２８】 ドライブシャフトを回転させるために、本発明のこの好適な実施形態は電気モ
ーターを使用するが、本発明の第２の実施形態はタービン150を用いる。圧力制
御ユニット152は、タービンの速度およびパワーを制御する。パワーコントロー
ラ154は、剥離部位に伝えられる最大パワーを制御するために圧力制御ユニット1
52とインターフェースする。パワーコントローラ154は、ドライブシャフトの回
転速度を監視する外部回転速度計156とインターフェースすることができる。さ
らに、パワーコントローラは、圧力センサ158から、使用される圧力および/また
はタービンを駆動する気体の流量の指示を受け取ることができる。プラットホー
ムスイッチ160は、非負荷条件下でバーおよびドライブシャフトにより散逸する
パワーをパワーコントローラに補償させる。

【００２９】 電気モーターでは供給されたトルクをモーターに送られた電流から簡単に測定
することができるのに対し、タービンでは、トルクを直接に得ることはできない
。タービンの性能を特徴付ける１つの方法は、動力計を用いてトルク/速度曲線
の族を生成する方法である。タービンへの各圧力入力において、特有のトルク/
速度関係（曲線）が存在する。この曲線族が経験的に生成されると（選択された
各入力圧力につき１曲線）、この情報は、「ルックアップ」テーブルの中にチャ
ートインされることができる。操作中、速度は回転速度計で測定することができ
、圧力は圧力変換器で決定することができる。これらの値が分かれば、トルクを
「ルックアップ」テーブル中で見つけ出すことができる。これで速度およびトル
クが分かったので、パワーを計算することができる。

【００３０】 操作にあたり、パワーコントローラ154は、高速ソレノイドバルブ（図示せず
）を介してタービンに供給される気体の圧力および/または流量を調節し、その
速度を遅めてバーで散逸するパワーレベルを所定の閾値以下に維持する。

【００３１】 上記記載から分かるように、本発明はこのように、剥離処理の間に患者の脈管
中で散逸するパワーレベルを自動的に制御するために動作する。原動機の速度が
自動的に調節されるので、医師は、該装置の動作特性を監視する必要がなく、脈
管内でバーを位置付けしたり進行させたりするのに自由に神経を集中させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の第１の実施形態に従った電気モーターを備える定パワーアテ
レクトミー装置を示す。

【図２】 図２は、剥離中に散逸するパワーを所定の閾値未満に維持するように図１に示
した電気モーターの速度を制御するパワーコントローラのブロック図である。

【図３】 図３は、本発明の第２の実施形態のタービンを備えた定パワーアテレクトミー
装置を示す。

【図４】 図４は、本発明の定パワーアテレクトミー装置により行われる工程を表わすフ
ロー図を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒブラー，トム アメリカ合衆国 98205 ワシントン州， エヴェレット 2633−112ス ドライブ エス．イー． (72)発明者 ウェンゼル，デイヴィッド アメリカ合衆国 98027 ワシントン州， イサクア エイピーティ．ケイ203，ニュ ーポート ウェイ，エス．イー．18305 Ｆターム(参考） 4C060 FF40 MM25

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アテレクトミーパワー制御システムであって、ドライブシャ
   フトと、該ドライブシャフトの先端部に装着される剥離バーと、該ドライブシャ
   フトおよび該剥離バーを調節可能な速度で回転させる、該ドライブシャフトに連
   結された原動機と、患者の脈管内の閉塞に該剥離バーが係合したときに該原動機
   の速度およびトルクを監視し且つ、閉塞部位で散逸するパワーが所定の最大値以
   下になるように該原動機の速度を調節するパワー制御回路と、を備えたアテレク
   トミーパワー制御システム。
2. 【請求項２】 前記剥離バーが患者の脈管内で回転しているが該閉塞に係合
   していないときに生じるパワー散逸を前記パワー制御回路が補償することを特徴
   とする請求項１に記載のアテレクトミーパワー制御システム。
3. 【請求項３】 前記原動機が速度可変電気モーターを備え、前記パワー制御
   回路が、剥離中に散逸するパワーを所定の最大値以下の水準に維持するために該
   モーターの速度を調節することを特徴とする請求項２に記載のアテレクトミーパ
   ワー制御システム。
4. 【請求項４】 前記原動機がタービンであり、前記パワー制御回路が、剥離
   中に散逸するパワーを所定の最大値未満の水準に維持するために、前記タービン
   が動作される圧力および／または流量を調節することを特徴とする請求項２に記
   載のアテレクトミーパワー制御システム。
5. 【請求項５】 患者の血管から閉塞を剥離する方法であって、ドライブシャ
   フトおよび該ドライブシャフトの先端部に装着されたバーを備えたアテレクトミ
   ー装置を患者の脈管中に進行させる工程と、前記ドライブシャフトおよび前記バ
   ーを高速回転させる工程と、回転するバーを閉塞に係合させる工程と、該バーが
   閉塞に係合する際にバーで散逸するパワーを測定する工程と、該バーで散逸する
   パワーが所定の閾値以下になるように該ドライブシャフトおよびバーの回転速度
   を調節する工程と、を含む方法。
6. 【請求項６】 前記バーで散逸するパワーを測定する工程が、前記ドライブ
   シャフトおよびバーが患者の脈管内にあり且つ閉塞に係合していないときに生じ
   るパワー散逸を補償する工程をさらに含む請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 ドライブシャフトと、該ドライブシャフトの先端部に装着さ
   れる剥離バーと、前記バーの差別切削特性を生じさせるために前記ドライブシャ
   フトを高速回転させる電気モーターと、を備えるアテレクトミー・システムであ
   って、該モーターが摩擦ホイールを備え、該摩擦ホイールはより小さなドライブ
   ホイールに係合し、この小さなドライブホイールには該ドライブシャフトが接続
   されており、該ドライブシャフトの回転速度がモーターの速度より大きくなるよ
   うに該摩擦ホイールのサイズが前記ドライブホイールよりも大きくなっているこ
   とを特徴とするアテレクトミー・システム。
8. 【請求項８】 前記摩擦ホイールとドライブホイールとが一体にバネ偏倚さ
   れていることを特徴とする請求項７に記載のアテレクトミー・システム。